半干旱区地下水埋深变化对优势植物地上和地下特征的影响

作者：奈曼站   更新时间：2023-10-31

植物性状在介导植被适应半干旱区地下水埋深变化和获取并维持所需资源的能力方面发挥着重要作用。先前的研究表明，地上性状与地下性状对提高植物稳定性和调节植物应对自然或人为因素引起的环境变化起同等关键的作用。然而，目前大多研究集中在植物的“快”性状，例如生理特性（光合速率、气孔导度、比叶面积、蒸腾速率）；在关键资源匮乏的生境中，地下性状可能具有使用相对保守的“慢”性状。由于尚不清楚植物如何在环境胁迫下调节“快”和“慢”性状之间的权衡，了解植物地上生理性状、地下根系性状及其之间的关系机制将有助于为制定生态保护策略提供理论指导依据。

因此，本研究以半干旱区农牧交错带的科尔沁沙地的优势植物地上地下特征为研究对象，通过模拟控制试验的手段，获取了不同地下水埋深处理的优势植物生理性状及根系生长特征的基本指标参数，并利用多个统计分析方法进一步分析地下水埋深与植物生长关键特征之间的关系。研究发现，随着地下水埋深增加，两种优势植物的光合速率降低，并通过调节气孔闭合策略以增强叶片瞬时水分利用效率，从而使植物在水分亏缺条件下满足资源需求并避免了水分的蒸腾散失（图1和2）。植物还通过改变根系生物量的分配方式来调节根系密度和粗根的垂直分布深度，以获取更深层的可利用土壤水分（图3和4）。此外，混合效应模型和结构方程模型结果显示，影响植物地上生物量的关键特征是地下水埋深、土壤含水量、叶片瞬时水分利用效率和植物根系特征，地下水埋深变化和植物根系特征对地上生物量影响的贡献最大（图5和6）。植物地上部分和根系特征之间的相互作用共同驱动了地上生物量对地下水埋深变化的响应。

该研究成果以“Relationship between the trait response of aboveground and belowground parts of dominant plant species to groundwater depth change in Horqin Sandy Land, eastern China”为题在线发表在环境科学与生态学领域中科院2区TOP期刊Ecological Indicators，影响因子6.9。中科院西北生态环境资源研究院博士研究生赵思腾为论文第一作者，赵学勇研究员和李玉霖研究员为通讯作者。该研究由国家自然科学基金面上项目（42177456），内蒙古自治区科技成果转化项目（2021CG0012）和国家科技部基础资源调查项目（2017FY100200）共同资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2023.111001

图1 不同地下水埋深处理植物地上特征和生理性状

图2 地下水埋深、叶片瞬时水分利用效率与气孔导度的关系

图3 不同地下水埋深处理植物根系特征

图4 不同地下水埋深处理土壤剖面内植物粗根和细根的垂直分布

图5 环境因子对植物地上生物量的相对影响

图6 环境因子对植物地上生物量的直接和间接效应